DE3152919C2 - Verfahren und Vorrichtung zur magnetischen Pr}fungmechanischer Eigenschaften - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur magnetischen Prüfung der mechanischen Eigenschaften eines sich bewegenden langgestreckten ferromagnetischen Objektes, bei dem ein Prüfabschnitt des Objektes in entgegengesetzten Richtungen magnetisiert wird, der Gradient der Remanenzinduktion längs des magnetisierten Abschnittes in ein elektrisches Signal umgewandelt wird und der Impuls einer Polarität des umgewandelten Signals integriert wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der US-PS 35 86 963 bekannt.

Bei dieser bekannten Technik werden die im normalen Betrieb vorgenommenen Prüfungen nach einer Gleichstrommethode durchgeführt, bei der eine Stelle des Prüfobjekts durch eine Sättigungsspule in die magnetische Sättigung getrieben, und die dabei bleibende remanente Induktion bei der weiteren Bewegung des Objekts in einer Koerzitivspulenanordnung durch ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld wieder beseitigt wird. Die hierzu notwendige Magnetfeldstärke ist dann ein Maß für die Koerzitivkraft des Prüflingsmaterials und dient zur Beurteilung von dessen Eigenschaften.

Nur zur Kalibrierung der bekannten Vorrichtung werden mittels der Sättigungsspule zeitlich nacheinander verschiedene Stellen des Prüflings in entgegengesetzten Richtungen bis zur Sättigung magnetisiert, um die Gesamtgröße der Remanenzinduktion zu ermitteln.

Bei einer in der genannten Quelle auch noch beschriebenen Wechselstrommethode ist nur noch eine Spulenanordnung vorhanden, deren Spule gleichzeitig die Funktion der Sättigungsspule und der Koerzitivspule hat.

Beim bekannten Verfahren ist die Empfindlichkeit der gewonnenen Informationsparameter hinsichtlich der zu prüfenden Eigenschaften bestimmt durch deren Empfindlichkeit bezüglich der Koerzitivkraft des Prüflingswerkstoffs und kann nicht gewählt werden.

Darüber hinaus ist die Möglichkeit einer genaueren Lokalisierung des Prüfabschnitts begrenzt, weil der Magnetisierungsimpuls bei der Messung auch auf die Meßspule einwirkt. Um diesen Einfluß in Grenzen zu halten, muß die Koerzitivspule in ausreichendem Abstand stromabwärts von der Sättigungsspule angeordnet werden, um Einflüsse des Sättigungsfeldes auf die Messung auszuschließen.

Weiterhin darf bei dem bekannten Verfahren der Prüfling auf dem Weg zwischen den Spulen keinen wesentlichen Vibrationen ausgesetzt sein, was bei der Prüfung von sich bewegendem Walzgut kaum zu verwirklichen ist.

Bei der Wechselstromvariante des bekannten Prüfverfahrens kann eine Beeinflussung der Meßergebnisse durch die Geschwindigkeit der Bewegung des Prüflings nicht vermieden werden, weil der Prüflingsabschnitt, der sich im Moment der Messung der Koerzitivkraft in der Magnetisierungsspule befindet, im Moment der Erreichung des Maximalswertes des Magnetisierungsfeldes sich (in Abhängigkeit von der Prüflingsgeschwindigkeit) in verschiedenen Entfernungen vom Zentrum der Magnetisierungsspule befinden konnte und nicht gemäß einem Maximalzyklus, sondern nur gemäß einem Teilzyklus ummagnetisiert wurde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur magnetischen Prüfung der mechanischen Eigenschaften von sich bewegenden langgestreckten ferromagnetischen Objekten zu schaffen, mit denen eine höhere Genauigkeit der Prüfung der mechanischen Eigenschaften von Prüfobjekten beliebigen Querschnitts erzielt werden kann und dabei Variationen, Versetzungen des Prüflingswegs oder Änderungen seiner Bewegungsgeschwindigkeit ohne Einfluß auf die Prüfergebnisse bleiben.

Ausgehend von dem bekannten Verfahren wird die gestellte Aufabe dadurch gelöst, daß die Magnetisierung des Objekts durch Impulsmagnetfelder erfolgt, die gleichzeitig an den Rändern des Prüfabschnitts zur Einwirkung gebracht werden, und daß nach dem Ergebnis der Integration über die mechanischen Eigenschaften geurteilt wird.

Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Vorrichtung zur magnetischen Prüfung der mechanischen Eigenschaften eines sich bewegenden langgestreckten ferromagnetischen Objekts mit einem koaxial zu diesem angeordneten Magnetisierungssystem und einer in Bewegungsrichtung des Objekts hinter diesem angeordneten Meßspule zur Umwandlung des Gradienten der Remanenzinduktion längs des Prüfobjekts in ein elektrisches Signal, mit einem Magnetisierungsgenerator, an dem das Magnetisierungssystem angeschlossen ist und der zur Magnetisierung des Prüfobjekts dient, mit einem an die Meßspule angeschlossenen Integrator zur Integration von deren Signal, mit einem ersten Komparator, der an die Meßspule angeschlossen ist und zur Erzeugung eines Steuerimpulses im Zeitpunkt des Nulldurchgangs von deren Signal dient, und mit einem zweiten Komparator, der an den Integrator angeschlossen ist, wobei in weiterer Ausbildung der Erfindung eine Steuereinheit vorgesehen ist, die mit je einem Eingang an den ersten und den zweiten Komparator angeschlossen ist und zur Erzeugung von Steuersignalen dient, sowie eine Torschaltung, die zwischen die Meßspule und den Integrator geschaltet und mit einem Steuereingang an den ersten Ausgang der Steuereinheit angeschlossen ist und zur Gewinnung eines Impulses einer Polarität aus dem Signal der Meßspule gemäß dem Signal der Steuereinheit dient, und ein steuerbarer Stromgenerator, der zwischen den zweiten Ausgang der Steuereinheit und den Steuereingang des Integrators geschaltet ist und zu dessen Rückstellung in den Ausgangszustand dient, wobei der zweite Komparator zur Erzeugung von Steuersignalen in den Zeitpunkten dient, in welchen das Signal am Ausgang des Integrators gleich Null ist oder einen vorgegebenen Pegel überschreitet, und der Magnetisierungsgenerator ein Impulsgenerator ist und das Magnetisierungssystem aus zwei an ihn angeschlossenen Magnetisierungsspulen besteht.

Nach der vorliegenden Erfindung wird der Prüfabschnitt des zu prüfenden Objekts durch gleichzeitiges Einwirken entgegengesetzt gerichteter Impulsmagnetfelder auf die Ränder dieses Prüfabschnitts geschaffen, z. B. mittels zweier an den Magnetisierungsimpulsgenerator hintereinander und entgegengesetzt geschalteter, koaxial mit dem Prüfling angeordneter Spulen. Durch diese Konfiguration des Impulsmagnetfeldes wird die Größe der Remanenzinduktion auf dem magnetisierten Prüfabschnitt selbst zum materialstrukturempfindlichen Parameter.

Dabei kann der Charakter der Abhängigkeit dieses Parameters von den zu prüfenden mechanischen Eigenschaften gesteuert werden. Bei einem starken Gradienten des Magnetisierungsfeldes längs des Prüflings (also bei geringem Abstand zwischen den Magnetisierungsspulen) wird die Größe der Remanenzinduktion auf dem magnetisierten Prüfabschnitt wegen der starken, entmagnetisierend wirkenden gegenseitigen Beeinflussung der nahe beieinanderliegenden und gegeneinander magnetisierten Teilabschnitte proportional der Koerzitivkraft des Prüflingsmaterials. Bei einem schwachen Gradienten des Magnetisierungsfeldes längs des Prüflings (bei Vergrößerung des Abstandes zwischen den Magnetisierungsspulen) verlieren die gegeneinander magnetisierten Teilabschnitte praktisch ihren Einfluß aufeinander, und die Größe der Remanenzinduktion auf dem magnetisierten Abschnitt wird proportional der Remanenzinduktion des Prüflingswerkstoffs.

Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, bei den vorbereitenden Untersuchungen einen optimalen Gradienten des Magnetisierungsfeldes (Abstand zwischen den Magnetisierungsspulen) zu ermitteln, wobei dieser dann eine maximale Empfindlichkeit der Messung bezüglich der zu prüfenden mechanischen Eigenschaften mit sich bringt bzw. der Informationsgehalt der Meßparameter maximal wird.

Da der Zeitpunkt der Magnetisierung des Prüflings und das Meßintervall der remanenten Induktion des Prüfabschnitts sich nicht überdecken, werden die Prüfergebnisse unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit des Prüfobjektes und seinen Vibrationsverschiebungen. Auch ist die Vielfalt der prüfbaren Objekte größer. Die Prüfergebnisse kennzeichnen die mechanischen Eigenschaften des Prüfobjekts mit hoher Genauigkeit.

Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a) die Verteilung der Remanenzinduktion längs des Prüfobjekts in der Magnetisierungszone;

Fig. 1b) die Verteilung des Gradienten der Remanenzinduktion in der Magnetisierungszone;

Fig. 2 das Blockschaltbild der Vorrichtung;

Fig. 3 die Signale am Ausgang des Abtastwandlers bei verschiedenen Bewegungsgeschwindigkeiten des Prüfobjekts;

Fig. 4 das Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung.

Beim vorgeschlagenen Verfahren wird das Prüfobjekt durch ein magnetisches Impulsfeld magnetisiert, wobei ein Remanenzinduktionsfleck gebildet wird. Die Konfiguration dieses Flecks, der entlang des Prüfobjekts nebeneinander liegende, in entgegengesetzten Richtungen bis zur Sättigung magnetisierte Zonen aufweist, ist in Fig. 1a) veranschaulicht, die den Verlauf B = B(x) zeigt.

Der durch die Funktion

(Fig. 1b) beschriebene Gradient der Remanenzinduktion wird bei der Bewegung des Prüfobjekts in ein elektrisches Signal ε = ε (t) umgewandelt, worin e (t) die elektromotorische Kraft der Induktion des Abtastwandlers durch den Gradienten in ein elektrisches Signal ist. Der Abtastwandler kann beispielsweise eine Induktivitätsmeßspule sein.

Laut dem Faradayschen Induktionsgesetz ist die elektromotorische Kraft ε (t) der Spuleninduktion das totale Differential einer gewissen Funktion Φ (t), welche die zeitliche Änderung der Größe des die Spule durchsetzenden Magnetflusses beschreibt:

Daher wird das Integral der Funktion ε (t) in einem gewissen Zeitintervall (I₁, I₂) nur durch den Wert der Funktion Φ (t) zu den Zeitpunkten T₁ und T₂ bestimmt. Nach der Newton-Leibnizschen Formel gilt:

Im vorgeschlagenen Verfahren entspricht der Zeitpunkt T₁ unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit des Prüfobjekts dem Durchgang des in einer Richtung bis zur Sättigung magnetisierten Objektquerschnitts (in Fig. 1a) und b) Querschnitt x₂) durch den Abtastwandler. Der Zeitpunkt T₂ entspricht dem Durchgang des in der entgegengesetzten Richtung bis zur Sättigung magnetisierten Objektquerschnitts (Querschnitt x₁) durch den Abtastwandler, da das Signal am Ausgang des Abtastwandlers in diesen Zeitpunkten unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit des Prüfobjekts durch Null geht und sein Vorzeichen umkehrt. Wenn man also aus dem Ausgangssignal des Abtastwandlers den Impuls mit einer bestimmten Polarität aussondert und integriert, so kommt man zum folgenden Ergebnis:

Hierin bedeuten:
Φ (x₂) = Φ (T₁) = Φ - Magnetfluß, der den Abtastwandler im Zeitpunkt T₁ (Integrationsbeginn) durchsetzt, d. h. magnetischer Restfluß im Querschnitt x₂ des Prüfobjektes;
Φ (x₁) = Φ (T₂) = - Φ - Magnetfluß, der den Abtastwandler im Zeitpunkt T₂ (Integrationsende) durchsetzt, d. h. magnetischer Restfluß im Querschnitt x₁ des Prüfobjekts;
B _r - Funktion der Verteilung der Remanenzinduktion über den Querschnitt;
K - durch die Parameter des Abtastwandlers und der Integrationseinrichtung bedingter konstanter Faktor.

In die angeführte Abhängigkeit gehen die durch Vibration des Prüfobjektes verursachten Radialverschiebungen im gesamten Querschnitt des Abtastwandlers nicht ein, da in den Zeitpunkten T₁ und T₂ (für die Querschnitte x₂ und x₁) praktisch der gesamte mit der Spule gekoppelte Magnetfluß im Inneren des Prüfobjektes konzentriert ist. Ebensowenig hängt die Beziehung von der Bewegungsgeschwindigkeit des Prüfobjektes durch den Abtastwandler ab. Das Ausgangssignal wird nur durch die Größe der Remanenzinduktion des Prüfobjektes und durch die Querschnittsform des letzteren (d. h. durch die Größe des magnetischen Restflusses im Prüfobjekt) bedingt.

Das vorgeschlagene Verfahren kann mit Hilfe der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung durchgeführt werden. Diese Vorrichtung enthält einen Impulsmagnetisierungsgenerator 1, an dessen Ausgang Magnetisierungsspulen 2 gegensinnig geschaltet sind. Die Spulen 2 sind entlang dem Prüfobjekt 3 angeordnet und umschließen dieses. Der Abstand zwischen den Spulen 2 wird ausgehend von den jeweiligen Durchführungsbedingungen des Verfahrens gewählt.

Darüber hinaus hat die Vorrichtung eine Meßspule 4 als Abtastwandler des Gradienten der Remanenzinduktion in ein elektrisches Signal. Auch diese Spule umschließt das Prüfobjekt 3 und ist an eine Meßschaltung angeschlossen, zu welcher eine Torschaltung 5, ein Integrator 6 sowie ein Komparator 7 gehören. Die Torschaltung 5 und der Integrator 6 sind mit der Spule 4 in Reihe geschaltet. Der Komparator 7 dient zur Aussonderung des Zeitpunktes des Nulldurchgangs des von der Spule 4 eintreffenden Signals und ist mit der letzteren eingangsseitig gekoppelt.

Der Komparator 7 wirkt auf eine Steuereinheit 8, an deren ersten Ausgang der Steuereingang der Torschaltung 5 angeschlossen ist.

Der Ausgang des Integrators 6 wirkt auf einen zweiten Komparator 9, der zur Aussonderung des Zeitpunktes, zu welchem das Signal am Ausgang des Integrators 6 gleich Null ist, dient. Dessen Ausgang beaufschlagt den zweiten Eingang der Steuereinheit 8.

Ein zweiter Ausgang der Steuereinheit 8 ist über einen steuerbaren Stromerzeuger 10 an den Steuereingang des Integrators geschaltet. Darüberhinaus kann dieser Ausgang der Steuereinheit 8 an ein geeignetes Gerät zur Registrierung der Zeitintervalldauer geschaltet werden, während der die Steuereinheit 8 den steuerbaren Stromerzeuger 10 einschaltet.

Die Meßschaltung kann an ein für den jeweiligen Fall geeignetes Registriergerät angeschlossen werden, welches am Ausgang des Integrators anzuschließen ist.

Im Betrieb erzeugt der Magnetisierungsimpulsgenerator 1 Impulse, welche an die Magnetisierungsspulen 2 gelegt werden. Die Magnetisierungsspulen 2 erzeugen auf dem zu prüfenden Erzeugnis einen Remanenzinduktionsfleck (Fig. 1a). Es ist klar, daß im Verlaufe der Prüfung solche Flecke je nach Wunsch periodisch und mit der erforderlichen Frequenz bzw. episodisch aufgetragen werden können.

Die Wirkungsweise der der beschriebenen Vorrichtung besteht in folgendem:
Läuft ein nichtmagnetisierter Abschnitt des Prüfobjektes 3 durch die Meßspule 4, so ist das Signal an ihrem Ausgang gleich Null. Die Torschaltung 5 ist gesperrt. Der steuerbare Stromerzeuger 10 ist außer Funktion. Das Signal am Ausgang des Integrators 6 ist gleich Null.

Sobald der Remanenzinduktionsfleck bei der Bewegung des Prüfobjektes 3 durch die Meßspule 4 läuft, induziert er in dieser ein Signal ε (t) (Fig. 3). Im Zeitpunkt T₁, welcher dem Durchgang der in einer Richtung bis zu Sättigung magnetisierten Zone durch die Meßspule 4 entspricht, spricht der Komparator 7 an und die Steuereinheit 8 steuert die Torschaltung 5 durch und das Signal von der Meßspule 4 gelangt zum Eingang des Integrators 6. Die Spannung an seinem Ausgang steigt proportional zu

an.

Bei einem bestimmten Ansprechpegel, von dem die Störungsempfindlichkeit der Vorrichtung abhängt, spricht der Komparator 9 an.

Im Zeitpunkt T₂ (Fig. 3) spricht der Komparator 7 erneut an. Die Steuereinheit 8 sperrt die Torschaltung 5 und löst den steuerbaren Stromerzeuger 10 aus. Der Kondensator (in der Zeichnung nicht gezeigt) des Integrators 6 beginnt, sich durch den Strom des Stromerzeugers 10 zu entladen. Sobald die Spannung am Ausgang des Integrators 6 gleich Null geworden ist, spricht der Komparator 9 erneut an und die Steuereinheit 8 schaltet den steuerbaren Stromerzeuger 10 ab. Die Vorrichtung ist zur Verarbeitung des nächstfolgenden Impulses bereit.

Über die mechanischen Eigenschaften des Prüfobjektes wird nach der Betriebsdauer des steuerbaren Stromerzeugers 10 geurteilt. Diese Zeitdauer ist in digitales Signal umzuwandeln und in geeigneter Weise anzuzeigen. Falls als steuerbarer Stromerzeuger 10 eine steuerbare Gleichstromquelle verwendet wird, ist ihre Betriebsdauer der Größe der Spannung am Ausgang des Integrators 6 im Zeitpunkt T₂ (Fig. 4), d. h.

proportional. Der Verlauf der Spannung U am Ausgang des Integrators 6 ist in Fig. 4 gezeigt. Wie bereits ausgeführt, hängt der Wert dieses Integrals von der Bewegungsgeschwindigkeit des Prüfobjektes und von seinen Versetzungen innerhalb der Meßspule 4 nicht ab, sondern nur von den Parametern des Remanenzinduktionsfleckes.

Claims (2)

1. Verfahren zur magnetischen Prüfung der mechanischen Eigenschaften eines sich bewegenden langgestreckten ferromagnetischen Objektes, bei dem ein Prüfabschnitt des Objekts in entgegengesetzten Richtungen magnetisiert wird,
der Gradient der Remanenzinduktion längs des magnetisierten Abschnittes in ein elektrisches Signal umgewandelt wird
und der Impuls einer Polarität des umgewandelten Signals integriert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung des Objekts durch Impulsmagnetfelder erfolgt, die gleichzeitig an den Rändern des Prüfabschnitts zur Einwirkung gebracht werden,
und daß nach dem Ergebnis der Integration über die mechanischen Eigenschaften geurteilt wird.

2. Vorrichtung zur magnetischen Prüfung der mechanischen Eigenschaften eines sich bewegenden langgestreckten ferromagnetischen Objektes (3) mit einem koaxial zu diesem angeordneten Magnetisierungssystem und einer in Bewegungsrichtung des Objekts hinter diesem angeordneten Meßspule (4), die zur Umwandlung des Gradienten der Remanenzinduktion längs des Prüfobjekts in ein elektrisches Signal dient,
einem Magnetisierungsgenerator (1), an den das Magnetisierungssystem angeschlossen ist, und der zur Magnetisierung des Prüfobjekts dient,
einem an die Meßspule (4) angeschlossenen Integrator (6) zur Integration von deren Signal,
einen ersten Komparator (7), der an die Meßspule (4) angeschlossen ist und zur Erzeugung eines Steuerimpulses im Zeitpunkt des Nulldurchgangs von deren Signal dient,
und einen zweiten Komparator (9), der an den Integrator (6) angeschlossen ist,
gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (8), die mit je einem Eingang an den ersten (7) und den zweiten (9) Komparator angeschlossen ist und zur Erzeugung von Steuersignalen dient,
eine Torschaltung (5), die zwischen die Meßspule (4) und den Integrator (6) geschaltet und mit einem Steuereingang an den ersten Ausgang der Steuereinheit (8) angeschlossen ist und zur Gewinnung eines Impulses einer Polarität aus dem Signal der Meßspule (4) gemäß dem Signal der Steuereinheit (8) dient,
einen steuerbaren Stromgenerator (10), der zwischen den zweiten Ausgang der Steuereinheit (8) und den Steuereingang des Integrators (6) geschaltet ist und zu dessen Rückstellung in den Ausgangszustand dient,
wobei der zweite Komparator (9) zur Erzeugung von Steuersignalen in den Zeitpunkten dient, in welchen das Signal am Ausgang des Integrators (6) gleich Null ist oder einen vorgegebenen Pegel überschreitet,
und der Magnetisierungsgenerator (1) ein Impulsgenerator ist und das Magnetisierungssystem aus zwei an ihn angeschlossenen Magnetisierungsspulen (2) besteht.